Металл техники высоких температур

40. Цирконий — Zirconium (Zr)

В одном из учебников химии, изданном сравнительно недавно, написано следующее: «…по-видимому, цирконий найдет применение в будущем, но трудность получения чистого металла не позволяет думать, что это будет скоро». Автор заблуждался! Уже в настоящее время цирконий применяется в самых различных отраслях техники. Производство циркония, а также его соединений растет с каждым днем.

От могучей Волги, превращающей энергию воды в электрический ток, через реки и луга, равнины и взгорья шагают ажурные вышки линий электропередач. Они несут на себе гирлянды изоляторов, в состав которых входят соединения циркония… Подобно молнии по небу промелькнул реактивный самолет, оставляя за собой грохот разорванного воздуха. Турбина самолета, работающая при температуре 750–800 °C, также содержит цирконий.

Цирконий — металл высоких температур, громадных скоростей и потрясающих мощностей. Двуокись циркония — одно из самых тугоплавких веществ природы. Она плавится при температуре 2680 °C, в сплавленном состоянии необычайно устойчива к самым разнообразным химическим воздействиям. Поэтому двуокись циркония применяется для изготовления огнеупорных изделий, тиглей для плавки кварца, кирпичей для обкладки стенок металлургических печей, жароустойчивых эмалей, тугоплавкого стекла. Замечательной особенностью двуокиси циркония является весьма незначительное изменение ее объема от температуры. Поэтому стенки плавильных печей, сделанные из двуокиси циркония, не растрескиваются при нагревании и охлаждении, что намного увеличивает срок службы.

Цирконий, введенный в небольших количествах в сталь (0,1 %), значительно повышает ее твердость и вязкость, что очень важно для сопротивления кратковременным, но сильным ударам. Поэтому циркониевая сталь находит применение в броневых плитах и щитах. Добавка циркония к меди резко увеличивает ее прочность, почти не снижая электропроводности. Сплавы циркония с алюминием и магнием обладают высокой прочностью и устойчивостью при температурах 150–200 °C. Смесь порошка металлического циркония с горючими соединениями применяется при изготовлении осветительных ракет, дающих большое количество света.

Минерал, содержащий двуокись циркония, бесцветный и прозрачный или буровато-оранжевый, розовый с сильным алмазным блеском был известен еще в древности под названиями: гиацинт, яцинт, яргон. В поисках объяснения слова «цирконий» приходится обращаться, правда, без особого успеха, к восточным языкам. Например, арабское слово «царгун» означало «золотой цвет», «золотистый» и служило для названия некоторых разновидностей минерала циркона, содержащего цирконий. Очевидно от названия этого золотисто-желтого минерала и произошло название — циркон. Новый элемент, открытый в минералах, был назван цирконием. В свободном виде цирконий был получен в 1824 г. Берцелиусом. Однако до самого недавнего времени не было единства взглядов на его физические свойства. Одни утверждали, что цирконий — твердый и хрупкий металл, с плотностью 6,4 и температурой плавления 2350 °C, другие для плотности давали цифру 6,1 и температуру плавления 1860 °C. Только выделив цирконий в чистом виде, исследователи установили, что этот металл внешне похож на сталь, его плотность 6,5, температура плавления 1900 °C, хорошо поддается механической обработке, а в обычных условиях вполне устойчив к воздуху и воде.

Несмотря на то, что циркония в природе столько же, сколько и меди (0,003 %), он иногда и сейчас еще называется «редким» элементом. Это объясняется его распыленностью и трудностью выделения из природных соединений. Получение циркония, как и ряда других редких металлов, особенно в чистом виде стало возможным после того, как был разработан оригинальный метод, называемый «йодидным». Загрязненный металл соединяют с йодом. Йодистое соединение циркония помещается затем в цилиндрический сосуд. В центре этого сосуда проходит вольфрамовая нить, нагретая до 1400 °C. При нагревании йодистого соединения циркония его пары касаются нагретой вольфрамовой проволоки и разлагаются на чистейший металл и пары йода. Металл осаждается на проволоке. К сожалению, металл, получаемый таким путем, остается все еще очень дорогим.

Нагретый цирконий жадно поглощает газы из окружающей среды. На этом основано его применение при спекании порошков металлов, а также в электровакуумной технике. При комнатной температуре цирконий с газами не взаимодействует, но при 300 °C активно поглощает водород, а выше 400 °C взаимодействует с кислородом и азотом.

Есть еще одна область, в которой цирконий находит широкое применение в настоящем и найдет неограниченное применение в будущем. Это область атомных двигателей. Высокая температура плавления, прочность и, главное, нейтронная инертность делают цирконий и его сплавы незаменимым материалом для деталей атомных двигателей.